金属管腐蚀数据的采集与过程分析_杨一潇.pdf

收稿日期:2022 11 21第一作者:杨一潇(1997)，男，硕士，研究方向为阴极保护及其远程监控。E mail:540100457 qq com金属管腐蚀数据的采集与过程分析杨一潇1，陈文革1，赵春生2，王建平3，赵玉虎3，殷搏峰3，张金涛3，褚明军4(1 西安理工大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710048;2 陕西合纵能源信息技术有限公司，陕西 西安 710008;3 新疆油田公司油气储运公司，新疆 乌鲁木齐 834002;4 中信科移动通信技术股份有限公司，陕西 西安 710054)摘要:根据金属管道腐蚀防护的原理，针对现有电位检测系统采集数据单一、精度差的问题设计了一种分布式腐蚀监测系统。该系统以 STM32F071 芯片为核心，参考现有的 4G 通信模块及GPS 定位模块电路设计出管道腐蚀状况远程监控系统，采用巴特沃斯低通滤波结合数据跟随电路提高测试精度，并通过调节电阻来控制信号放大倍数。系统采集信息包括管道电位信息、测试桩位置信息及环境温度信息，采集信息传输至后台，由搭建的软件平台展示出测量得到的电位和温度曲线并进行数据分析。关键词:管道腐蚀;数据采集;设计;分析中图分类号:TE988文章编号:1000 0682(2023)02 0070 06文献标识码:ADOI:10 19950/j cnki cn61 1121/th 2023 02 014Data collection and process analysis of metal pipelines corrosionYANG Yixiao1，CHEN Wenge1，ZHAO Chunsheng2，WANG Jianping3，ZHAO Yuhu3，YIN Bofeng3，ZHANG Jintao3，ZHU Mingjun4(1 School of Materials Science and Engineering，Xi an University of Technology，Shaanxi Xi an 710048，China;2 Shaanxi HezhongEnergy Technology Co，Ltd，Shaanxi Xi an 710008，China;3 Oil and Gas Storage and Transportation Company，Xinjiang Oil fieldCompany，Xinjiang Urumqi 834002，China;4 CICT Mobile Communication Technology Co，Ltd，Shaanxi Xi an 710054，China)Abstract:Based on the principle of corrosion protection of metal pipelines，a distributed corrosionmonitoring system is designed to solve the problem of single data acquisition and poor accuracy of existingpotential detection systems The system uses STM32F071 chip as the core to design a remote monitoringsystem for pipeline corrosion condition with reference to the existing 4G communication module and GPSpositioning module circuit Butterworth low pass filter and data following circuit are used to improve thetest accuracy，and the signal amplification is controlled by adjusting the resistance The information col-lected by the system includes pipeline potential information，test pile position information and environ-mental temperature information The collected information is transmitted to the background，and themeasured potential and temperature curves are displayed by the built software platform for data analysisKeywords:pipeline corrosion;data acquisition;design;analysis0引言油气运输对国家的经济发展至关重要，金属管道是现今油气运输的主要手段。由于油气具有易燃、爆的特性，且石油兼具高腐蚀性，在运输过程中极易威胁管道及其周围环境的安全，因此对管道进行安全监测是极为重要的1。管道监测信息采集包括管道形变、振动波、应变分布、腐蚀电位以及图像信息等2 6。目前的管道信息采集方式主要有 2种:(1)采用运动式传感器在管道内移动来收集管体信息。施佳椰7 等人采用 MTD J 型脉冲涡流探测仪检测管体内壁形变情况，配合 MFC24C J 多臂井径测试仪来辅助脉冲监测仪在管道内移动，以此检测管内形变状况;鲁少辉8 等人设计了一种全景07工业仪表与自动化装置2023 年第 2 期视觉传感器(ASODVS)配合管道机器人辅助传感器运动，通过分析图像采集结果来检测管道各处的形变状况;谢忠强9 等人设计了一种微流控芯片，随着管体内流体运动，通过采集微流道中液滴运动的视觉图像，分析管内流体运动状况。(2)采用分布式传感器检测管道的整体信息，高文傲10 采用光纤布拉格光栅(FBG)传感系统采集管道振动波信息，通过对管道振动进行滤波分析后定位管道泄漏点;董鹏11 等人为了预防输油管线受到低温地区由于冻土热胀冷缩引发的管道翘曲等危害，选取 6 处冻土区域设置温度检测点，通过温度传感器来检测管线附近温度场分布情况;王江伟12 等人采用分布式光纤温度传感器采集天然气管道周围温度，分析检测天然气管道泄漏处的温度差，以此定位燃气泄漏点。由于我国油气管道铺设范围广，距离长，采用分布式监测方式能够更加高效地采集我国管道监测信息。管道腐蚀主要是由金属的电化学腐蚀造成的，是金属在溶液介质中发生原电池反应造成金属变为离子形态而形成的腐蚀13 14。目前是采集金属电位、电压和电流等信息进行分析，Tan 等人5 设计了一种电极探针阵列，探针阵列中每个探针可独立测量通过它的净电流，经数据分析绘制得到探针阵列腐蚀速率分布图;诸海博15 等人提出了一种管道综合的外部检测系统 HB XLI，通过发射机对管道施加一确定频率的交流信号，在不同点使用接收机检测激励信号强度，得到管道电压梯度，以此定位管道破损点;汪锐16 等人基于 STM32 及 GPS 通信设计了管道电位采集传输系统，并将采集到的电位信号与人工采集结果进行校验;刘博文17 等人提出了一种单片机控制的密间隔管道电位监测系统，采用北斗/GPS 双模同步模块对卫星脉冲进行同步，以较小的间隔在管道沿线采集多个电位，通过分析电位变化来判断管道腐蚀状况。以上系统为管道腐蚀数据采集方式提供了思路，但采集数据较为单一。该文设计了一种分布式管道电位采集装置，通过采集管道电位信息的同时收集土壤环境信息，对管道腐蚀状况进行综合分析，为长距离管道腐蚀状况的监控提供参考。1腐蚀数据采集原理及实施1 1金属电化学腐蚀机制及防护措施金属管道的电化学腐蚀是由于其所处土壤的环境差异、焊缝以及大型电气设施18 21 形成的杂散电流回路导致管道表面不同区域间形成电势差，电势差使得阳极部分金属表面失电子，金属原子以离子形式扩散到环境介质中造成的腐蚀。为了减少电化学腐蚀对管道造成的安全危害，目前的防护措施主要从涂层阻隔、阴极保护及接地排流三方面进行22 23。阴极保护是控制电化学腐蚀的主要防护手段，图 1 所示为阴极保护原理图。阴极保护主要有牺牲阳极法和外加电流法 2 种方法，牺牲阳极法采用较活泼金属(Zn，Mg，Al 等合金)与管道相连，二者之间的电势差使得管道成为腐蚀原电池阴极;外加电流法是在管道附近设置辅助阳极(高硅铸铁和石墨等)并由外置电源主动施加电流，使管道成为得电子的阴极。这 2 种方法均会使原有的阳极溶解区转移至辅助/牺牲阳极上，从而避免产生管道腐蚀。管道防护时通常将 2 种方式联合使用，而管地电位直观地反应了管道的极化程度，通过监测管地电位可以实时反应防护效果，极大减小管道局部腐蚀的发生。图 1阴极保护原理图1 2系统整体框架设计图 2 为腐蚀监测系统总体设计框架图，系统包括数据采集、数据传输以及应用 3 部分。数据采集部分主要包含极化探头以及温湿度传感器，整体硬件设施封装于管道智能测试桩内，测试桩之间间隔1 km 5 km 分布于埋地管道上方地表处，通过测试172023 年第 2 期工业仪表与自动化装置桩的 GPS 定位来确定管道存在安全隐患的区域。数据传输部分由 EC20 芯片实现 4G 网络数据传输，采集得到的数据经串口发送至数据传输模块，以数据报形式传输至服务器，用户通过软件平台来查看数据。该系统采用 STM32F071 单片机作为管理采集和传输的主控制器。STM32F071 芯片具备 12 位双通道数模转换器，同时具有多数据采集通道和多种低功耗模式，采用 2 0 3 6 V 电压供电，可应对极端恶劣环境，工作温度为 40 +105。图 2腐蚀监测系统设计框架图1 2 1信号采集调理电路设计极化探头采集得到的数据包括通电电位、断电电位和自然电位，三者均为直流电位信号。为避免采集到的电位信号幅值超过数模转换器电压采样范围，电位在传入主控芯片前需经过调理电路。图 3为数据调理电路原理图，主要包块滤波电路、电压跟随电路及可调放大电路。滤波电路用于滤除信号干扰，滤波器阶数越高其幅频特性越好但滤波边沿变陡，根据巴特沃斯滤波器通频带内的频率特征曲线平坦的特性24，滤波电路选用三阶巴特沃斯低通滤波电路，电压跟随电路对后级电路起到缓冲和隔离的作用25，采用 6，C4以及 7，C6进行 C 滤波，参考 OPA2277P 的数据手册设计了电压跟随电路。参考经典 AD620 放大电路设计了放大电路，AD620 具有功耗低和高精度的特点，其增益为 1 10 00026。可根据数据采集系统需要，通过 12调节放大电路的放大倍数。图 3数据调理电路原理图1 2 24G 无线通信模块设计图 4 为无线通信模块电路原理图。在系统中选用移远公司的 EC20 芯片对采集信号进行远程传输，采用 3 3 VDC 模块进行供电，EC20 芯片和主控27工业仪表与自动化装置2023 年第 2 期芯片采取串行数据接口通信(SPI)，输入数据引脚接入主控芯片的数模转换输出端口。参考 EC20 的数据手册设计电路，在电源输入端加入了一阶简易滤波电路以滤除高低频纹波。图 4无线通信模块电路原理图1 2 3GPS 定位电路设计图 5 所示为 GPS 定位电路，该电路包括 ATK S1216F8 BD 单片机及其稳压电路。定位采用SkyTraq 公司生产的 ATK S1216F8 BD 模块，其自带的 IPX 接口可接入各类天线，且具有北斗/GPS双模定位功能，模式选择和参数设定可通过数据串口进行设置;此外，其自带的可充电后备电池可防止突发断电导致的数据丢失。芯片工作电压为 3 3 V，采用 T9193 33 芯片对其供电进行稳压处理。图 5GPS 定位电路原理图372023 年第 2 期工业仪表与自动化装置1 2 4系统软件设计腐蚀在线监